近日，瞬态光学与光子技术国家重点实验室汤洁课题组联合华中科技大学强电磁技术全国重点实验室，在气体放电非平衡等离子体动力学前沿理论研究领域取得新进展。研究成果发表于美国物理学会(APS)旗下期刊《物理评论研究》(Physical Review Research)。文章第一作者为中国科学院西安光机所博士研究生刘颖华，通讯作者为汤洁研究员，西安光机所是第一完成和通讯单位，华中科技大学刘大伟教授参与此项研究工作。
非平衡大气压等离子体射流(APPJ)作为一种极具竞争力的等离子体器件，能够将丰富的活性物种从狭窄气隙输送至开放空间，对所处理的样品几乎没有形状和尺寸的限制，极大提高了等离子体器件的工作效率，在材料加工、生物医学、痕量探测等领域具有广泛的应用前景。同轴介质阻挡放电(DBD)是产生非平衡大气压等离子体射流的常见方式。众多实验表明，磁场可以有效促进APPJ的产生及APPJ中活性物种的生成，能显著提升实际应用中APPJ工作效率。然而，现有的实验诊断技术无法捕捉和表征同轴介质阻挡放电APPJ在平行磁场中的微观变化特征，以及APPJ中粒子的动力学行为。在平行磁场调控下，APPJ中电子的运动方式和漂移途径、活性物种的时空分布演变特征、射流的传播模式至今无法获悉。
图 平行磁场调控大气压等离子体射流(APPJ)特性及其作用机理
针对以上问题，研究团队构建了中性气体流动、磁场以及等离子体的单向耦合模型，基于混合组分间对流扩散进程的非平衡等离子体理论，开展了平行磁场(~0.3 T)调控脉冲直流同轴DBD-APPJ动力学特性的仿真研究。理论研究表明，平行磁场能够在亚毫米空间尺度范围改变等离子体射流的微观特征，调控射流中带电与活性粒子的动力学行为。研究发现了平行磁场调控导致介质管内等离子体鞘层变薄的现象，垂直于磁场方向上电子迁移率的降低减少了介质壁上累积的表面电子数是产生该现象的根本原因。研究揭示了平行磁场调控导致介质管外环形等离子体通道中电子分布更加集中的行为，阐明了该行为源于带电粒子在垂直于磁场方向上扩散的减弱以及雪崩头部电子洛伦兹力的径向约束。研究观察到平行磁场调控导致等离子体射流长度变短的异常特征，澄清了该特征的产生是缘于带电粒子在平行磁场中沿方位角方向的E × B漂移。上述成果为磁场调控APPJ性能的提升提供了理论依据，为磁场调控增强APPJ技术的广泛应用奠定理论基础。
该成果得到国家自然科学基金以及陕西省自然科学基金的大力支持。
